1、陀螺供電電源設(shè)計    摘  要：以實際工程項目中半液浮速率陀螺供電電源為研究對象。介紹了SPWM技術(shù)的基本原理，給出了基于SPWM技術(shù)所設(shè)計的陀螺電源的基本方案和系統(tǒng)的設(shè)計方框圖。提出了一種基于時序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法。同時，分別給出了單片機89S52與信號發(fā)生器SAZ4828的接口電路、IGBT的驅(qū)動隔離電路、外圍擴展芯片、SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理以及軟件設(shè)計流程圖。關(guān)鍵詞：半液浮速率陀螺；正弦波脈寬調(diào)制；陀螺電源O 引言    陀螺供電電源一般為中頻(常用的為400Hz)的單相或者三相變頻

2、電源。同時，這類電源廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、機車、感應(yīng)加熱以及雷達、通信交換機等設(shè)備中。因此，對此類電源的研究具有很高的工程實用價值。本文以某型導(dǎo)彈中半液浮速率陀螺為研究對象，利用SPWM技術(shù)給出了半液浮速率陀螺電源的解決方案。同時，提出了基于時序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法，大大化簡了實現(xiàn)角度差。l 半液浮速率陀螺電源設(shè)計方案    本文研究的半液浮速陀螺電源的具體技術(shù)指標如表1所列。11 SPWM原理及基本方案    SPWM技術(shù)是一種先進的調(diào)制技術(shù)，其內(nèi)涵就是通過按一定的規(guī)律控制開關(guān)器件的通斷，從而獲得一組等幅不等寬的矩

3、形脈沖波形，用來產(chǎn)生所需頻率的正弦電壓波。采用該技術(shù)開發(fā)研制的400Hz中頻電源，技術(shù)先進，其所達到的電性能指標及可靠性都將大大優(yōu)于以往多環(huán)節(jié)的中頻電源。SPWM的實現(xiàn)方式通常有兩種：一是模擬法，二是數(shù)字法。模擬法電路較復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，影響精度，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，將其存人內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生SPWM波。但數(shù)字法受內(nèi)存影響較大，不能保證系統(tǒng)的精度。Mitel公司生產(chǎn)的SA系列PWM波形發(fā)生器具有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，其中SA4828系列SPWM發(fā)生器，可與微處理器連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化，微處理器只用很

4、少的機時去控制它，因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等。基于上述原因，我們決定采用SA4828為核心來研制SPWM中頻電源。12 半液浮速率陀螺電源系統(tǒng)設(shè)計框圖    半液浮速率陀螺供電電源如圖1所示。    其系統(tǒng)的基本工作原理為：直流電源經(jīng)過SPWM全橋逆變、濾波隔離后輸出，系統(tǒng)采用幅值反饋和頻率反饋實現(xiàn)陀螺供電電源的幅值和頻率的穩(wěn)定。CPU采用Intel公司生產(chǎn)的89S52單片機；SPWM信號發(fā)生器采用SA4828；混合集成驅(qū)動電路EXB841構(gòu)成隔離驅(qū)動保護電路；逆變器主電路采用IGBT模塊。2 硬件電路設(shè)計2

5、1 SPWM波形發(fā)生器    SA4828是Mitel公司專為三相逆變電路設(shè)計的SPWM波形發(fā)生器，它能產(chǎn)生純正弦波，尤其與CPU組成的系統(tǒng)操作數(shù)字化，抗干擾能力強，接口簡單，通用性好，可以與不同接口的微控制器相連。在電路不變的情況下，通過軟件修改，就可改變逆變器的性能指標，大大提高了調(diào)試效率，降低了產(chǎn)品成本。其主要特點如下所述。    1)全數(shù)字化 SA4828與微處理器的連接，適用多種微處理器，接口電路簡捷。SA4828與單片機89S52接口電路如圖2所示。    2)工作方式靈活 SA4828有6個

6、標準的TEL電平輸出，用來驅(qū)動逆變器的6個功率開關(guān)器件。可以直接通過軟件寫寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R14、R15設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、凋制比、最小脈寬、死區(qū)時間、幅值等工作參數(shù)，無需任何外接電路。    3)工作頻率范圍寬、精度高 三角載波頻率可調(diào)，載波頻率最高可達24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達4 kHz，輸出頻率的分辨率可達16位字長；全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。22隔離驅(qū)動電路    IGBT的柵極驅(qū)動方法有很多，本方案采用日本富士公司推出的混合式集成化IGBT專用驅(qū)動模塊EXB841。它是EXB系

7、列驅(qū)動器中高速、大容量器件之一，集隔離、驅(qū)動和保護于一身，性能優(yōu)越，充分體出了“最優(yōu)驅(qū)動和分散保護”兩原則。具體應(yīng)用電路如圖3所示。23 單片機最小系統(tǒng)及外圍擴展芯片    89S52單片機最小系統(tǒng)及少量的擴展外圍芯片和SAZ4828三相PWM發(fā)生器構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機完成對SA4828的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制，同時完成開環(huán)和閉環(huán)控制算法的運算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測、保護功能和邏輯判斷等。89S52單片機有40條引腳，共分為端口線、電源線、控制線3類。其中端口線分為4組即P0，P1，P2，P3，系統(tǒng)中僅用P0口和P1口進行數(shù)據(jù)交換，P0

8、口主要用于ADC0809之間進行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成電壓反饋。P1口主要用于給SA4828傳輸初始化數(shù)據(jù)，并根據(jù)運算的結(jié)果調(diào)整SA4828的輸出。P3、4口與SA4828的引腳21構(gòu)成頻率反饋。3 SA4828工作原理和系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理    SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示，    它按X(t)=Asint來產(chǎn)生SPWM波形。由于SA4828的主要工作原理大部分與SA8282類似，這里不再贅述。現(xiàn)將SA4828特殊的原理解釋如下。    1)3種不同波形的選擇主要

9、是通過給初始化寄存器和控制寄存器傳輸命令，來設(shè)置三相波形ROM。它分別為正弦、增強、高效3種波形，使之能應(yīng)用于各種特殊的場合。    2)“看門狗”電路 SA4828在接收單片機發(fā)出的命令時，一旦出現(xiàn)問題，總線控制會發(fā)出復(fù)位“看門狗”信號，使“看門狗”延時關(guān)斷輸出驅(qū)動信號。    3)8個寄存器單元為了提高頻率精度，以及能獨立控制三相波形幅值，SA4828增設(shè)了8個寄存器單元，單元地址及說明見表2。    在傳輸初始化命令時，寫入以R5為“看門狗”延時控制字。當(dāng)傳輸控制命令時，寫入R0、R1為16位頻率控

10、制字，寫入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設(shè)置和調(diào)整，均通過地址數(shù)據(jù)總線、寄存器單元，存人初始化寄存器和控制寄存器來完成。32 軟件設(shè)計    軟件程序設(shè)計是整個逆變器控制的核心，它決定逆變器的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度、諧波含量、保護功能的完善，可靠性等。圖5為本系統(tǒng)的程序流程圖。    主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的參數(shù)計算及設(shè)置，主要用于確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時間、輸出電壓幅值、中心頻率、幅值等。    由陀螺電源技術(shù)要求(表1)知，陀螺電機供電電源要求A、B

11、兩相相位差90度。這里，采用軟件延時方法實現(xiàn)。即當(dāng)A相輸出后延時O625 ms，B相輸出，實現(xiàn)A、B兩相相位差90度。    這里提出了基于時序方法實現(xiàn)三相電源中任意兩相的任意角度差。解決了逆變電源中難于實現(xiàn)任意兩相實現(xiàn)任意角度差的難題。大大簡化了逆變電源中任意兩相實現(xiàn)任意角度差的繁瑣工作和大量的外圍電路。但是，帶來若干好處的同時也帶來了一些問題。譬如，本系統(tǒng)中需要2片SA4828實現(xiàn)A、B兩相相位差90度，一定程度上提高了系統(tǒng)的成本。但是，由于SA4828目前的應(yīng)用較為廣泛，其市場的價格也是比較低廉的。綜合考慮，利用SA4828軟件延時功能實現(xiàn)逆變電源中任意兩相任意角度差仍然是最佳的選擇方案。 4 實驗結(jié)果和結(jié)語    實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)方